Исследование процессов формирования и защиты поверхности планарных p-n переходов и модернизация базовой технологии изготовления фотодиодов на основе InSb

Актуальность работы.

Для регистрации ИК-излучения во втором окне прозрачности атмосферы (3−5 мш) широко используются фотодиоды (ФД) на основе inSb. К настоящему времени на ОАО «Московский завод „Сапфир“ разработана и внедрена в серийное производство базовая технология изготовления ФД на InSb, основными характерными чертами которой являются имплантация ионов Be» «при формировании пленарного р-n перехода и анодное окисление для защиты поверхности.

Базовая технология надежно обеспечивает выпуск ФД с параметрами, требуемыми для заказчика. Б первую очередь это относится к чувствительности и напряжению шума. Однако для ряда специальных задач требуются ФД с более низкими значениями напряжения шума, соответствующими снижению уровня темновых токов на порядок величины и более. Эту задачу существующая технология решить не в состоянии. Поэтому актуальной является задача модернизации базовой технологии, позволяющей обеспечить выпуск ФД с требуемым уровнем шумов.

Не менее актуальными являются исследования, направленные на увеличение чувствительности приборов.

Одним из определяющих процессов в технологии изготовления ФД является защита поверхности р-n перехода, осуществляемая с помощью двухслойного диэлектрика, нижним слоем которого является анодная окисная пленка (АОП), выращенная в электролите на основе Na2S. Такая АОП вполне обеспечивает высокое совершенство границы раздела inSb-АОП, но она выдерживает прогрев лишь до температуры Т=120°С, после превышения которой р-n переход может закоротиться вследствие структурных превращений в окисле, который при высоких температурах становится проводящим. Поэтому актуальными являются исследования, направленные на разработку альтернативных способов защиты р-n перехода, позволяющих повысить его термостойкость и соответственно температуры технологических процессов нанесения защитных и проводящих слоев, что в свою очередь уменьшит процент брака за счет их отслоений.

Учитывая тот факт, что постимплантационный отжиг, применяемый в базовой технологии, требует наличия капсулирующей пленки (получаемой контролируемым низкотемпературным окислением токсичного моносилана), а также наличия восстановит ельний ашосферы, в качестве которой используется взрывоопасный водород, представляется актуальной задача поиска режимов отжига, исключающих применение вредных и взрывоопасных веществ.

Цель работы заключается в разработке основ модернизированной технологии изготовления ФД на inSb с применением ионной имплантации, позволяющей снизить темновые токи ФД до величин, требуемых для реализации режима ограничения фоном (ОФ) в низкофоновых системах и при этом исключающей применение токсичных и взрывоопасных веществ в технологическом процессе, а также в получении более термостабильной АОП, которая дала бы возможность наносить последующие слои SiO* и Сг+Au при более высоких температурах, уменьшив тем самым брак по их отслоению. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1)Разработать основы технологии, позволяющей изготавливать ФД с уровнем шумов, соответствующим уровню плотности темнового тока при обратном смещении 200 мВ менее 1,2*10″ °А/см'г;

2)Исследовать возможность замены АОП, получаемой в электролите на основе ЫагЗ, на альтернативную, более термостойкую, позволяющую повысить температуру нанесения последующих покрытий в технологическом маршруте изготовления ФД и упростив при этом подготовку электролита;

3)Разработать такой технологический маршрут, который исключает применение токсичных и взрывоопасных веществ;

4) Исследовать возможность увеличения токовой чувствительности за счет применения в качестве исходного материала кристаллов InSb более высоко-омных марок для увеличения диффузионной длины неосновных носителей заряда.

Практическая значимость.

1)Разработаны основы модернизированной базовой технологии изготовления ФД на InSb с применением ионной имплантации (ИИ), позволяющей изготавливать ФД как для традиционных потребителей, так и для разработчиков низкофоновых систем обнаружения и исключающей применение токсичных и взрывоопасных веществ. По предварительным данным, такая технология увеличит выход годных ФД для низкофоновых систем с 7% (в базовой технологии) до 78%.

2)Разработана технология получения термостойкой АОП, формируемой в электролите на основе персульфата аммония (ПА) в гальваностатическом режиме с последующими низкотоковыми стадиями. Такая АОП обеспечивает большую термическую стойкость ФД и позволяет повысить температуру (от 120 °C до 170°С) нанесения защитных и проводящих пленок, что является предпосылкой снижения брака при производстве ФД, связанного с отслоением этих пленок. Кроме того, эта АОП в состоянии повысить равномерность ВАХ малоразмерных многоэлементных фотодиодов по площади поверхности благодаря повышенной равномерности электрической прочности.

3)Найдены пути повышения токовой чувствительности ФД на 33% по сравнению с базовой технологией. Это обеспечивается за счет применения в качестве исходного материала кристаллов марки ИСЭ-1, ИИ в «мягких» режимах, стационарного отжига при Т=375°С с капсулирующей пленкой, защиты поверхности с помощью АОП на основе Na2S.

Научная новизна.

1) Показано, что в случае малоразмерного р-n перехода приближение к нему области с бесконечной скоростью рекомбинации и нулевой скоростью генерации носителей заряда приводит к уменьшению темнового тока, вызванному увеличением диффузионного оттока в эту область равновесных неосновных носителей заряда, генерируемых в базе вблизи планарных границ малоразмерного р-n перехода.

2)Предложена модель формирования оптимального термостойкого защитного покрытия на основе процессов ступенчатого гальваностатического (ГС) режима анодного окисления (АО) в электролите на основе персульфата аммония.

3) Показано, что введение дополнительных низкотоковых стадий АО в ГС режиме увеличивает электрическую прочность АОП на InSb и равномерность этого параметра по площади пленки. Очевидно, что на этих стадиях происходит эффективное заращивание неокисленных участков InSb, оставшихся после первой стадии АО, и, как следствие, повышение электрической прочности всей АОП.

Основные положения, выносимые на защиту: 1 результаты исследований вольт-амперных характеристик (ВАХ) ионноим-плантированных ФД, сформированных при различных вариантах технологии и топологии ФД на InSb, показавшие преимущества применения ИИ в мягких'' режимах, импульсного фотонного отжига (ИФО) при Т=390°С, проведения разварки от растра к ФЧ площадке, использования утолщенного слоя SiOx под КП, приближения КЗ р-n перехода к границам ФЧ площадок.

2)Способ формирования термостойкого защитного покрытия, основанный на ступенчатом ГС-режиме АО в электролите на основе ПА, позволяющий повысить температуру нанесения защитных и проводящих пленок.

3)Модель формирования оптимального термостойкого защитного покрытия на основе процессов ступенчатого АО.

4)Основные положения модернизированной технологии изготовления ФД на inSb, имеющей следующие отличия от базовой: применение в качестве исходного материала кристаллов марки ИСЭ-1, формирование р-n перехода осуществляется имплантацией ионов Be" с Е=40 кэВ, Ф=20 мкКул/см^ и последующим ИФО при Т=390сС в течение 30 с, а защита поверхности — путем АО в электролите на основе ПА в трехстадийном ГС-режиме АО (ji=90 мкА/ см2, ti =45 минj2=27 мкА/ см2, т2 =10 минj3=9 мкА/ см2, т3 =15 мин).

5)Основные условия обеспечения повышенной токовой чувствительности, заключающиеся в применении в качестве исходного материала кристаллов марки ИСЭ-1, ИИ в «мягких» режимах, стационарного отжига при Т=375аС с капсулирующей пленкой, защиты поверхности с помощью АОП на основе электролита Na2S.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации отражены в публикациях [1−5] и докладывались на XIV Международной конференции по фотоприемникам, электронным и ионно-плазменным технологиям (Москва, 1998 г.) и XVI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (Москва, 2000 г.).

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списков собственных публикаций и цитируемой литературы, четырех приложений. Объем диссертации составляет 109 страниц машинописного текста, включая 24 рисунка и 8 таблиц.

Список литературы

состоит из 67 наименований.

Выводы.

1) Разработана технология получения термостойкой анодной окисной пленки, формируемой в электролите на основе персульфата аммония. Такая пленка обеспечивает большую термическую стойкость фотодиодов и позволяет повысить на 40° температуру нанесения защитных и проводящих пленокчто является предпосылкой снижения брака, связанного с отслоением пленок.

2) Предложена модель формирования оптимального термостойкого защитного покрытия на основе процессов ступенчатого анодного окисления.

3) Показана возможность снижения темновых токов малоразмерных пла-нарных фотодиодов за счет приближения к ним охватывающего дополнительного закороченного р-n перехода.

4) Показана перспективность применения в качестве исходного материала для изготовления фотодиодов на InSb кристаллов марки ИСЭ-1, обладающих высоким значением времени жизни. Применение таких кристаллов позволяет повысить токовую чувствительность фотодиодов на 33% по сравнению с фотодиодами, изготовленными на материале марки ИСЭ-2 В. Оптимальными являются следующие процессы: имплантация ионов Ве+ с Е=40 кэВ, Ф=20 мкКул/см2, стационарный термический отжиг при Т=375°С с капсулирующей пленкой, защиту поверхности с анодной окисной пленкой на основе Na2S.

5)Разработаны основы модернизированной базовой технологии изготовления фотодиодов на InSb с применением ионной имплантации, позволяющей изготавливать фотодиоды не только для традиционных потребителей, но и для разработчиков низкофоновых систем обнаружения, и исключающей применение токсичных и взрывоопасных веществ. Основные особенности этой технологии: применение в качестве исходного материала кристаллов марки ИСЭ-1, формирование р-n перехода осуществляется имплантацией ионов Ве+ с Е=40 кэВ, Ф=20 мкКул/см2 и последующим импульсным фотонным отжигом при Т=390°С в течение 30 с, а защита поверхности — путем анодного окисления в электролите на основе персульфата аммония в ступенчатом гальваностатическом режиме анодного окисления (ji=90 мкА/ см2, xi =45 минj2=27 мкА/ см2, т2 =10 минj3=9 мкА/ см2, хз =15 мин). По оценкам, такая технология увеличит выход годных фотодиодов для низкофоновых систем с 7% (при базовой технологии) до 78%. Все элементы технологии отработаны на производстве и прошли проверку.